Signalai ir sistemos: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 8 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniaiAtgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Sąsūka ir LTI sistemos

Diskrečioji sąsūka
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Tolydžioji sąsūka
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Ilgis ir suma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Pradžia, pabaiga ir plotas
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Šuolis į e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Pirmosios eilės sistema
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Pirmosios eilės rekursija
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoidė per h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Furjė eilutės amplitudės
stačiakampė ±A: 4A/(kπ), nelyginis k; trikampė ±A: 8A/(π²k²), nelyginis k; impulsų seka: A·D ir (2A/(kπ))|sin kπD|

Metodas

  1. Nubraižykite abu signalus ir pažymėkite, kur kiekvienas nelygus nuliui.
  2. Apverskite h ir stumkite: kiekvienam išėjimo laikui raskite sritį, kurioje abu signalai persidengia.
  3. Dauginkite ir sudėkite (diskrečiuoju atveju) arba dauginkite ir integruokite (tolydžiuoju atveju) tik toje persidengimo srityje.
  4. Patikrinkite rezultatą: išėjimas prasideda pradžios laikų suma, baigiasi pabaigos laikų suma, o jo plotas ar suma lygi įėjimų plotų ar sumų sandaugai.

2Uždaviniai

1.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
x(t)t34h(t)t12

Impulsas x(t) = 4, kai 0 ≤ t < 3 s, sąsukamas su h(t) – trikampiu, kuris tiesiškai krinta nuo 2, kai t = 0, iki 0, kai t = 1 s. Raskite plotą Ay po y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 4, 0 ≤ t < 3 sh(0) = 2, h(1) = 0
Ay =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
10cos(15t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

Įėjimas x(t) = 10·cos(15t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = 5·e−10tu(t). Raskite nusistovėjusio išėjimo fazę φ įėjimo atžvilgiu laipsniais.

h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 10cos(15t)
φ = °
3.Laplaso transformacijosVidutinis
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

F(s) = (3s + 8)/(s² + 7s + 12). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−3t + B·e−4t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.

F(s) = (3s + 8)/(s² + 7s + 12)
A =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Laplaso transformacija išspręskite y″ + 8y′ + 12y = 0, kai y(0) = 10 ir y′(0) = −2, ir raskite y(0,3).

y″ + 8y′ + 12y = 0y(0) = 10y′(0) = −2t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)3

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 129/(s² + 9s + 43), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Poliai yra s = σ ± jωd. Raskite realiąją dalį σ.

G(s) = 129/(s² + 9s + 43)
σ =
6.Šuolinė reakcijaSunkus
+−5 VR = 500 ΩL = 500 mHC = 2 µFvC​

Nuosekli RLC grandinė, kurios R = 500 Ω, L = 500 mH ir C = 2 µF, prijungiama prie 5 V šuolio, kai t = 0. Kondensatorius neįkrautas, prieš šuolį srovė neteka. Raskite kondensatoriaus įtampos procentinį viršijimą %OS.

R = 500 ΩL = 500 mHC = 2 µFV = 5 V
%OS = %
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
vin​L = 5 mHC = 0,22 µFR = 50 Ωvout​

Parodytame nuosekliajame RLC juostiniame filtre išėjimas imamas ant R = 50 Ω, kai L = 5 mH ir C = 0,22 µF. Raskite kokybės faktorių Q.

R = 50 ΩL = 5 mHC = 0,22 µF
Q =
8.Bode grafikai ir atsargosSunkus
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 90/(s(s + 5)). Raskite fazės atsargą PM laipsniais.

L(s) = 90/(s(s + 5))
PM = °

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: Ay = 12

Tolydžioji sąsūka: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Apverskite h, pastumkite į padėtį t ir suintegruokite persidengiančių dalių sandaugą. Priežastiniams signalams integralas skaičiuojamas nuo 0 iki t. Naudingi rezultatai: y plotas lygus x ploto ir h ploto sandaugai; jei x trunka nuo t₁ iki t₂, o h nuo t₃ iki t₄, tai y trunka nuo t₁ + t₃ iki t₂ + t₄. Kai h(t) = e−atu(t), o šuolio aukštis A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Įėjimų plotai

∫x dt = 4·3 = 12
∫h dt = ½·1·2 = 1

Išėjimo plotas

Ay = 12·1 = 12

Atsakymas

Ay = 12
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: φ = −56,31 °

Impulsinė charakteristika ir Furjė eilutė: impulsinė charakteristika h(t) visiškai aprašo LTI sistemą: lygčiai y′ + a·y = b·x ji yra h(t) = b·e−atu(t), o lygčiai y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] ji yra h[n] = b·aⁿu[n]. Sinusoidė cos ωt praeina su stiprinimu |H(jω)| ir faze ∠H(jω), kur H yra h Furjė transformacija. Periodinis signalas yra harmonikų, kurių dažnis k/T, suma: ±A stačiakampė banga turi tik nelygines harmonikas, kurių amplitudės 4A/(kπ), A pikinės vertės trikampė banga turi 8A/(π²k²), o A aukščio ir pildymo koeficiento D impulsų seka turi vidurkį A·D ir harmonikas (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Dažninė charakteristika

H(jω) = 5/(10 + jω)

Fazė įėjimo dažniu

φ = −atan(15/10) = −56,31°

Atsakymas

φ = −56,31°
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: A = −1

Laplaso transformacija: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt išvestines paverčia daugyba iš s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standartinės poros: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), o postūmis s → s + σ laiko funkciją padaugina iš e−σt. Norėdami atlikti racionaliosios F(s) atvirkštinę transformaciją, išskaidykite ją į paprastąsias trupmenas: paprastojo poliaus p reziduumas yra A = [(s − p)·F(s)] ties s = p. Galutinės vertės teorema: f(∞) = lims→0 s·F(s), galioja tik tada, kai visi s·F(s) poliai yra kairiojoje pusplokštumėje. Pradinės vertės teorema: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Išskaidykite vardiklį dauginamaisiais

s² + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 4)

Uždengimo taisyklė

Padauginkite iš (s + 3) ir įrašykite s = −3: B narys išnyksta.

A = (3s + 8)/(s + 4) |s = −3 = −1/1 = −1

Atsakymas

A = −1
(B = 4, taigi f(t) = −e−3t + 4·e−4t)
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.3) = 7,214

Laplaso transformacija: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt išvestines paverčia daugyba iš s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standartinės poros: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), o postūmis s → s + σ laiko funkciją padaugina iš e−σt. Norėdami atlikti racionaliosios F(s) atvirkštinę transformaciją, išskaidykite ją į paprastąsias trupmenas: paprastojo poliaus p reziduumas yra A = [(s − p)·F(s)] ties s = p. Galutinės vertės teorema: f(∞) = lims→0 s·F(s), galioja tik tada, kai visi s·F(s) poliai yra kairiojoje pusplokštumėje. Pradinės vertės teorema: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transformuokite lygtį

s²Y − 10s − (−2) + 8(sY − 10) + 12Y = 0
Y(s) = (10s + 78)/((s + 2)(s + 6))

Paprastosios trupmenos

A = 58/4 = 14,5
B = 18/(−4) = −4,5

Rezultatas

y(t) = 14,5·e−2t − 4,5·e−6t
y(0,3) = 7,214

Atsakymas

y(0,3) = 7,214

Patikra: y(0) = A + B = 10.

5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: σ = −4,5

Šuolinė reakcija: pirmosios eilės sistema G(s) = K/(τs + 1) į U dydžio šuolį atsako y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po vienos laiko pastoviosios τ ji pasiekia 63,2 % galutinės vertės K·U, o po 4τ – 98 %. Antrosios eilės sistema G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) turi polius s = −ζωₙ ± jωd, kur ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Kai 0 < ζ < 1, šuolinė reakcija viršija galutinę vertę: procentinis viršijimas %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), pikų laikas tp = π/ωd, o 2 % nusistovėjimo laikas ts ≈ 4/(ζωₙ). Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ², kad nustatytumėte ωₙ ir ζ. Masės, spyruoklės ir slopintuvo sistemai ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)); nuosekliajai RLC grandinei ωₙ = 1/√(LC) ir ζ = (R/2)·√(C/L).

Palyginkite su standartine forma

Vardiklis turi atitikti s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 43 → ωₙ = 6,557 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·6,557) = 0,6862

Rezultatas

σ = −ζωₙ = −9/2 = −4,5

Atsakymas

σ = −4,5
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: %OS = 16,3 %

Šuolinė reakcija: pirmosios eilės sistema G(s) = K/(τs + 1) į U dydžio šuolį atsako y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po vienos laiko pastoviosios τ ji pasiekia 63,2 % galutinės vertės K·U, o po 4τ – 98 %. Antrosios eilės sistema G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) turi polius s = −ζωₙ ± jωd, kur ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Kai 0 < ζ < 1, šuolinė reakcija viršija galutinę vertę: procentinis viršijimas %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), pikų laikas tp = π/ωd, o 2 % nusistovėjimo laikas ts ≈ 4/(ζωₙ). Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ², kad nustatytumėte ωₙ ir ζ. Masės, spyruoklės ir slopintuvo sistemai ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)); nuosekliajai RLC grandinei ωₙ = 1/√(LC) ir ζ = (R/2)·√(C/L).

Savasis dažnis ir slopinimo koeficientas

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,5·2 × 10⁻⁶) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (500/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,5) = 0,5

Rezultatas

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 16,3 %

Atsakymas

%OS = 16,3 %
7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: Q = 3,015

Dažninė charakteristika: perdavimo funkcijoje įrašykite s = jω. Modulis decibelais yra 20·log₁₀|H(jω)|, o fazė yra skaitiklio dauginamųjų kampų suma minus vardiklio dauginamųjų kampų suma. Pirmos eilės RC ar RL filtras turi lūžio (−3 dB) dažnį ωc = 1/(RC) arba R/L, o fc = ωc/(2π); žemųjų dažnių filtras duoda |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ir φ = −atan(ω/ωc). Asimptotiniame (tiesių atkarpų) Bode grafike kiekvienas polius sulenkia modulį žemyn 20 dB/dekadai ties savo lūžio dažniu, kiekvienas nulis sulenkia jį aukštyn 20 dB/dekadai, o integratorius 1/s visais dažniais duoda −20 dB/dekadai. Stiprinimo kirtimo dažnis ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fazės atsarga PM = 180° + ∠L(jωc). Fazės kirtimo dažnis ω180: ∠L(jω) = −180°; stiprinimo atsarga GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Uždaroji kilpa stabili, kai abi atsargos teigiamos.

Rezonansinis dažnis

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·2,2 × 10⁻⁷) = 30151 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 4799 Hz

Kokybės faktorius

BW = R/L = 50/0,005 = 10000 rad/s = 1592 Hz
Q = ω₀/BW = 30151/10000 = 3,015

Atsakymas

Q = 3,015
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: PM = 29,46 °

Dažninė charakteristika: perdavimo funkcijoje įrašykite s = jω. Modulis decibelais yra 20·log₁₀|H(jω)|, o fazė yra skaitiklio dauginamųjų kampų suma minus vardiklio dauginamųjų kampų suma. Pirmos eilės RC ar RL filtras turi lūžio (−3 dB) dažnį ωc = 1/(RC) arba R/L, o fc = ωc/(2π); žemųjų dažnių filtras duoda |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ir φ = −atan(ω/ωc). Asimptotiniame (tiesių atkarpų) Bode grafike kiekvienas polius sulenkia modulį žemyn 20 dB/dekadai ties savo lūžio dažniu, kiekvienas nulis sulenkia jį aukštyn 20 dB/dekadai, o integratorius 1/s visais dažniais duoda −20 dB/dekadai. Stiprinimo kirtimo dažnis ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fazės atsarga PM = 180° + ∠L(jωc). Fazės kirtimo dažnis ω180: ∠L(jω) = −180°; stiprinimo atsarga GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Uždaroji kilpa stabili, kai abi atsargos teigiamos.

Stiprinimo kirtimas

ω⁴ + 25ω² − 8100 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·8100))/2 = 78,36
ωc = 8,852 rad/s

Fazės atsarga

∠L(jωc) = −90° − atan(8,852/5) = −150,5°
PM = 180° + ∠L = 29,46°

Atsakymas

PM = 29,46°

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems